(57)【要約】【課題】連続して使用しても微粒子によってエアロゾル通過空間や噴出口の形状が変化しにくい複合構造物作製用ノズルを提供する。【解決手段】ノズル１０は２枚の板状部材１１、１２を貼り合わせてなり、それぞれの板状部材１１、１２の外側面には加熱手段１３を取付けている。一方の板状部材１１の表面には一端が導入開口１４で他端が導出開口１５となる溝１６が形成され、他方の板状部材１２には溝を形成していない。板状部材１１の溝１６の表面およびこの溝１６とともにエアロゾル通過空間を画成する板状部材１２の表面、更には導出開口１５が形成されたノズル１０の前端面１９にはコーティングが施されている。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成する複合構造物作製装置に用いられるノズルにおいて、このノズルのエアロゾル通過空間を形成する内面または噴出口が形成された先端面には、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、炭化物系セラミックス、金属またはフッ素系樹脂のいずれかからなるコーティングが施されていることを特徴とする複合構造物作製用ノズル。
【請求項２】
請求項１に記載の複合構造物作製用ノズルにおいて、コーティングを施すエリアを粉体が付着しやすいエリアと摩耗しやすいエリアに分け、それぞれのエリア毎に異なるコーティングが施されていることを特徴とする複合構造物作製用ノズル。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の複合構造物作製用ノズルにおいて、このノズルの外面には加熱手段が取り付けられていることを特徴とする複合構造物作製用ノズル。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載のノズルを備えたことを特徴とする複合構造物作製装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、微粒子を含むエアロゾルを基板に吹き付け、構造物を基板上に形成させることによって基板と構造物からなる複合構造物を作製するときに使用する複合物作製用ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ノズルから微粒子を基板に吹き付けて構造物を基板上に形成させる際に、ノズルと基板との間に、所定の開口パターンを有するマスクを設け、このマスクの開口を通して吹き付けることで、所定形状の構造物を得る方法が提案されている。（特許文献１）
【０００３】
また、エアロゾルデポジション法に使用するノズルとして、断面矩形状のエアロゾル通過空間を形成し、速度の遅い流束成分の微粒子を基板まで到達させないようにした提案がなされている。（特許文献２）
【０００４】
【特許文献】
特許文献１：特開平１０−２０２１７１号公報
特許文献２：特開２００２−３２０８７９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
エアロゾルデポジション法によって形成される構造物の形状はノズルの先端に形成された噴出口の形状に依存する部分が大きい。しかしながら、ノズルから噴出される微粒子の速度は１５０ｍ／ｓ〜４５０ｍ／ｓと高速で、しかも微粒子の硬度は高い。
一方、ノズルをステンレス等の金属製とした場合には、上記した高速の微粒子によってエアロゾル通過空間を形成するノズル内面または噴出口周辺が摩耗したり、逆に微粒子が付着して流路形状や噴出口形状が変化し、これが原因で目的とする形状の構造物を作製できなくなる。
【０００６】
本発明は、連続して使用しても微粒子によってエアロゾル通過空間や噴出口の形状が変化しにくい複合構造物作製用ノズルを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決しようとする手段】
上記課題を解決するため、本発明は、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基材に衝突させ、この衝突の衝撃によって前記微粒子を破砕・変形させて接合させ、前記基材表面に前記微粒子の構成材料からなる構造物を形成する複合構造物作製装置に用いられるノズルにおいて、このノズルのエアロゾル通過空間を形成する内面または噴出口が形成された先端面に、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、炭化物系セラミックス、金属またはフッ素系樹脂からなるコーティングを施した。
また、本発明は上記のノズルを備えた複合構造物作製装置も包含する。
【０００８】
エアロゾル通過空間や噴出口の形状変化は、摩耗による場合と粉体の付着による場合がある。またコーティングの材質によってそれぞれ発揮する特徴が異なり、粉体の付着防止に有効なコーティングと摩耗防止に有効なコーティングが存在する知見を得た。
そこで、コーティングを施すエリアを粉体が付着しやすいエリアと摩耗しやすいエリアに分け、それぞれのエリア毎に異なるコーティングを施すことが好ましい。
【０００９】
また、エアロゾルディポジション法はエアロゾルを加熱した状態で行うと、ノズル内面の粉体付着防止および構造物形成速度の向上効果があるため、ノズルの外面に加熱手段を取り付けておくことが有効である。本発明者らの知見ではノズルを７０℃〜１２０℃程度に加熱することがもっとも効果的であることをつかんでいる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面により詳細に説明する。図１は、本発明に係るノズルを組み込んだ複合構造物作製装置の装置図であり、複合構造物作製装置はエアロゾルデポジションを行う構造物形成室１と、この構造物形成室１にエアロゾルを供給するエアロゾル発生装置２からなり、構造物形成室１およびエアロゾル発生装置２はポンプ３，４によって高真空に維持され、また構造物形成室１内にはコンピュータにより上下（Ｚ）、前後左右（ＸＹ）に制動できる基板ホルダ５と、この基板ホルダ５に取付けられる基材６が配置されている。
【００１１】
また構造物形成室１内には本発明にかかるノズル１０が配置され、このノズル１０へのエアロゾルの濃度を測定するセンサ７からの信号を外部のフィードバック制御回路８へ送って処理し、エアロゾル発生装置２や搬送用の窒素ガスを充填したガスボンベ９のそれぞれの制御部へ配線を介して信号が送られ、エアロゾル濃度を制御するとともに基材に衝突するエアロゾルの量を任意量供給するように制御を行う。
【００１２】
図２は、前記ノズル１０の全体図、図３はノズルを構成する一方の板状部材の斜視図であり、ノズル１０は金属或いはセラミックからなる２枚の板状部材１１、１２を貼り合わせてなり、それぞれの板状部材１１、１２の外側面にはノズルを加熱することが可能な加熱機構１３を取り付けてある。加熱手段としてはシーズヒータ、ラバーヒータ、赤外線ヒータなどが利用可能である。
【００１３】
前記一方の板状部材１１の表面には一端が導入開口１４で他端が導出開口１５となる溝１６が形成され、他方の板状部材１２には溝を形成していない。尚、両方の板状部材に溝を形成してもよい。また、板状部材１１の一端には差込み穴１７が形成され、この差込み穴１７にエアロゾル発生装置からの配管に繋がるジョイント１８が挿着される。
【００１４】
前記溝１６は導入開口１４から導出開口１５に至る範囲において、下流側に向かって（Ｚ方向に沿って）、短辺方向（Ｘ方向）の寸法が徐々に小さくなり、長辺方向（Ｙ方向）の寸法が徐々に長くなるようにし、且つ、導入開口１４に近い部分のエアロゾル通過空間の断面積を、これよりも下流側のエアロゾル通過空間の断面積よりも大きく設定している。
【００１５】
また、板状部材１１の溝１６の表面およびこの溝１６とともにエアロゾル通過空間を画成する板状部材１２の表面、更には導出開口１５が形成されたノズル１０の前端面１９にはコーティングが施されている。
コーティングの材質としては、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＤＬＣ（ダイヤモンド）、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＰＴＦＥ（フッ素系樹脂）、酸化物、窒化物、炭化物、ハードクロムなどが好適であり、コーティング方法としては、エアロゾルデポジション、スパッタリング、電子ビーム蒸着、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、プラズマ溶射、溶射、メッキ、パウダーコーティング、ディップコーティング、スプレー吹付けコーティングなどの手段が好適である。
【００１６】
図４乃至図８はノズル形状の別タイプを示し、図４に示すタイプでは、溝１６の上流側部分１６ａについては短辺方向（Ｘ方向）及び長辺方向（Ｙ方向）の寸法を変化させずに略等しくし、下流側部分１６ｂについては、下流側に向かって（Ｚ方向に沿って）、短辺方向（Ｘ方向）の寸法が徐々に小さくなり、長辺方向（Ｙ方向）の寸法が徐々に大きくなるようにし、しかも、下流側部分１６ｂではエアロゾル通過空間の断面積が下流側に向かって徐々に狭くなるようにしている。
【００１７】
そして、上流側部分１６ａと下流側部分１６ｂでは、施すコーティングの種類を異ならせている。即ち、上流側部分１６ａでは微粒子の付着を防止するためフッ素系樹脂などの付着防止に有効なコーティングを施し、下流側部分１６ｂでは摩耗を防止するため、ＴｉＣ等の高硬度のコーティングを施している。
【００１８】
コーティング面の表面粗さが悪いと十分な粉体付着防止効果が得られない。場合によっては粉体が付着し易くなることもある。よってコーティング後表面平滑化処理を行なうことで表面を仕上げることがより望ましい。コーティング材料が酸化物、炭化物や窒化物の場合はラップ加工などで表面を鏡面に仕上げることが望ましい。また、フッ素系の樹脂の場合はなるべく平滑な表面になるようにコーティング面をあらかじめ平滑に仕上げ、均一に表面粗さの良いコーティング方法を施すことが望ましい。
【００１９】
２種類以上のコーティングをするにあたり、コーティングの境目に段差やつなぎ目、隙間などができるとノズル内の粉体の流れに乱れが生じ、粉体付着や乱流を発生させる原因となりかねないため、コーティング面のつなぎ目には隙間や段差が生じないようにすることが好ましい。仮に段差や盛り上がりが生じてしまった場合は、ラップ加工などの後加工にて除去し、面一に仕上げることがより望ましい。
【００２０】
図５に示すタイプでは、溝１６の上流側部分１６ａについては、下流側に向かって、短辺方向の寸法が徐々に小さくなり長辺方向の寸法が徐々に大きくなるようにし、しかも、上流側部分１６ａではエアロゾル通過空間の断面積が下流側に向かって徐々に狭くなるようにし、下流側部分１６ｂについては短辺方向及び長辺方向の寸法を変化させずに略等しくしている。
施すコーティングの種類を上流側部分１６ａと下流側部分１６ｂで異ならせているのは前記実施例と同様である。
【００２１】
図６に示すタイプでは、溝１６の上流側部分１６ａ及び下流側部分１６ｂについては短辺方向及び長辺方向の寸法を変化させずに略等しくし、中間部分１６ｃについては、下流側に向かって短辺方向の寸法が徐々に小さくなり長辺方向の寸法が徐々に大きくなるようにし、しかもエアロゾル通過空間の断面積が下流側に向かって徐々に狭くなるようにしている。
この実施例でも、上流側部分１６ａ、下流側部分１６ｂ及び中間部分１６ｃでコーティングの種類を異ならせている。
【００２２】
図７に示すタイプでは、導出開口１５の面積が他のノズルの３倍であるため、同濃度のエアロゾルを供給するとエアロゾル濃度は他のノズルと比べて１／３の濃度となり、単位面積あたりの成膜速度が低下する。そこで、導入開口１４にエアロゾル濃度が３倍のエアロゾルを導入する。
この実施例にあっても、上流側部分１６ａと下流側部分１６ｂでコーティングの種類を異ならせている。
【００２３】
図８に示すタイプでは、１つの矩形導出開口１５に対し、矩形の導入開口１４を３つ設けている。この実施例にあっても、上流側部分１６ａと下流側部分１６ｂでコーティングの種類を異ならせている。
【００２４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、エアロゾルデポジション法に用いるノズルの摩耗しやすい箇所や微粒子が付着しやすい箇所にコーティングを施したので、連続して使用しても微粒子によってエアロゾル通過空間や噴出口の形状が変化しにくい複合構造物作製用ノズルが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るノズルを用いた複合構造物作製装置の全体構成図
【図２】本発明のノズル（タイプ１）の全体構成を示した図。
【図３】本発明のノズル（タイプ１）を構成する一方の板状部材の斜視図、
【図４】本発明のノズル（タイプ２）を構成する一方の板状部材の斜視図。
【図５】本発明のノズル（タイプ３）を構成する一方の板状部材の斜視図。
【図６】本発明のノズル（タイプ４）を構成する一方の板状部材の斜視図。
【図７】本発明のノズル（タイプ５）を構成する一方の板状部材の斜視図。
【図８】本発明のノズル（タイプ６）を構成する一方の板状部材の斜視図。
【符号の説明】
１…構造物形成室、２…エアロゾル発生装置、３，４…ポンプ、５…基板ホルダ、６…基材、７…センサ，８…フィードバック制御回路、９…ガスボンベ、１０…ノズル、１１，１２…板状部材、１３…加熱手段、１４…導入開口，１５…導出開口，１６…溝、１６ａ…溝の上流側部分、１６ｂ…溝の下流側部分、１６ｃ…溝の中間部分、１７…差込み穴、１８…ジョイント、１９…ノズルの前端面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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